Už viac ako storočie poskytuje zapaľovacia sviečka jednoduchý a spoľahlivý spôsob zapálenia zmesi paliva- so vzduchom. Ale ako sa spaľovacie systémy pohybujú smerom kchudšie zmesi, vyššie tlaky, alternatívne palivá a náročnejšie prevádzkové podmienkyInžinieri sa podrobnejšie zaoberajú tým, ako môže samotné zapaľovanie ovplyvniť výkon spaľovania.
Toto je miesto laserové zapaľovaniesa stáva zaujímavým.
Namiesto vytvárania elektrického výboja medzi pevnými elektródami laserové zapaľovanie využíva sústredený laserový impulz na uloženie energie priamo do horľavej zmesi. Tento prístup môže poskytnúť väčšiu flexibilitumiesto zapaľovania, časovanie a dodávka energie, vďaka čomu je atraktívny pre pokročilé plynové motory, plynové turbíny, pohonné systémy a výskum spaľovania.
Prečo sa inžinieri pozerajú za zapaľovaciu sviečku?
Bežné zapaľovacie sviečky sú veľmi vyspelé, ale ich konštrukcia-založená na elektródach vytvára praktické obmedzenia v náročných podmienkach spaľovania.
Elektrická iskra musí premostiť pevnú elektródovú medzeru. Keď sa tlak pri spaľovaní zvýši alebo sa zmesi stanú čoraz chudobnejšími alebo zriedenými, dosiahnutie konzistentného zapaľovania môže byť náročnejšie. Elektródy sa tiež časom opotrebúvajú a fyzicky obmedzujú, kde je možné umiestniť zdroj vznietenia.
Laserové zapaľovanie pristupuje k problému inak.
Pri laserovom-iskovom zapaľovaní sa do horľavej zmesi zameria krátky-impulz vysokej intenzity. Pri dostatočnej optickej intenzite môže lokalizovaný rozpad vytvoriť oblasť plazmy, ktorá rýchlo ohrieva okolitý plyn a iniciuje jadro plameňa.
Dôležitým rozdielom nie je len to, že laser vytvára iný typ iskry. To sa meníkde a ako je možné dodávať zápalnú energiu.
Pretože bod vznietenia je určený skôr opticky než polohou medzery medzi elektródami, inžinieri môžu skúmať zapálenie hlbšie vo vnútri komory alebo v miestach vybraných podľa miestnej koncentrácie paliva, prietokového poľa a stratégie spaľovania.
Laserové{0}}systémy môžu byť tiež navrhnuté okolo viacerých bodov vznietenia, čím sa potenciálne vytvorí niekoľko jadier plameňa, namiesto toho, aby sa spoliehali na jedno čelo plameňa.
Chudé spaľovanie je kľúčovou príležitosťou
Chudé spaľovanie je atraktívne, pretože prevádzka s väčším množstvom vzduchu v porovnaní s palivom môže za vhodných podmienok podporiť vyššiu účinnosť a nižšie teploty spaľovania.
Výzvou je udržať stabilné vznietenie, keď sa zmes stáva chudobnejšou.
Pomalý vývoj plameňa, kolísanie medzi-k{1}}cyklom a vynechávanie zapaľovania sa môžu stať čoraz dôležitejšími v blízkosti prevádzkového limitu chudobnej zmesi. Z tohto dôvodu sa skúmajú pokročilé zapaľovacie systémy ako spôsob rozšírenia užitočnej obálky spaľovania.
Americké ministerstvo energetiky a program Národného laboratória Argonne demonštrovali laserové zapaľovače na šesť-valcovom motore na zemný-plyn. Za uvedených testovacích podmienok projekt dosiahol a2,6-percentuálny nárast účinnosti v porovnaní so zážihovým zapaľovaním. Ten istý program tiež identifikoval problémy, ako je životnosť zapaľovača a optické znečistenie, ako dôležité technické výzvy. ()
Výsledok by sa nemal interpretovať ako zaručené zlepšenie účinnosti pre každý motor. Ešte dôležitejšie je, že dokazuje, že technológia zapaľovania sa môže stať aktívnou súčasťou optimalizácie spaľovacieho-systému, a nie jednoducho komponentom potrebným na spustenie spaľovania.
Miesto zapaľovania sa stáva konštrukčnou premennou
Vo vnútri spaľovacej komory sa koncentrácia paliva, turbulencia, teplota, tlak a rýchlosť prúdenia môžu značne líšiť od jedného miesta k druhému.
Bežná zapaľovacia sviečka umiestňuje zdroj zapaľovania tam, kde môže byť hardvér fyzicky inštalovaný. Laserové zapálenie dáva inžinierom väčšiu slobodu pri skúmaní, kde by malo dôjsť k zapáleniu.
Užitočným príkladom je práca s-plynovou{1} turbínou podporovanou NASA. Testy porovnávali alaserový optický zapaľovač s konvenčným elektródovým zapaľovačoma vyhodnotil laserové zapálenie v rôznych axiálnych, radiálnych a obvodových polohách vo vnútri spaľovacej komory. Počas programu bolo nahlásených viac ako 200 udalostí-vypnutia laserového svetla. ()
Pre spaľovacích inžinierov to znamená, že miesto zapaľovania sa môže stať ďalším konštrukčným parametrom popri vstrekovaní paliva, prietoku vzduchu a geometrii komory.
Za motory: Laserové zapaľovanie v pohonných systémoch
Laserové zapálenie sa skúma aj pri pohone rakiet a kozmických lodí.
Jeden obzvlášť zaujímavý smer jediaľkové optické doručenie. Namiesto inštalácie kompletného laserového zdroja priamo vedľa každej spaľovacej komory môžu optické vlákna potenciálne distribuovať laserovú energiu z centrálneho zdroja do rôznych miest zapaľovania.
Projekt-podporovaný ESA vedený spoločnosťou DLR skúmal-zapaľovanie založené na optických vláknach pre-riadiace systémy reakcie odpaľovacieho zariadenia. Jedným z cieľov bolo posúdiť, či je možné jednojadrový laser multiplexovať cez optické vlákna do viacerých trysiek, čo by potenciálne znížilo dodatočnú hmotnosť zapaľovacieho-systému a poskytlo väčšiu flexibilitu pri integrácii odpaľovacích zariadení. ()
DLR tiež vyvíja aMultiplexný laserový zapaľovací systém (MLIS)pre koncepty opakovane použiteľných raketových{0}}motorov s výskumom zameraným na prípadné zapálenie niekoľkých spaľovacích komôr pomocou jedného zapaľovacieho systému. ()
Tento vývoj ukazuje, prečo je laserové zapaľovanie obzvlášť zaujímavéopakované štarty, distribuované zapaľovanie alebo diaľkové dodávanie energieposkytujú výhody na{0}}úrovni systému.
Aké parametre lasera sú dôležité pre zapálenie?
Výber lasera pre projekt zapaľovania nie je len otázkou výberu najvyššieho priemerného výkonu.
Laserové zapálenie je v podstate apulzná{0}energetická aplikáciaa niekoľko parametrov sa musí vyhodnotiť spolu.
Energia pulzu
Laserový impulz musí dodať dostatok energie v ohniskovej oblasti, aby podporil požadovaný zapaľovací mechanizmus za aktuálnych podmienok tlaku, paliva a zmesi.
Vyššia energia pulzu nie je automaticky lepšia. Vhodná hodnota závisí od spaľovacieho tlaku, zloženia zmesi, geometrie zaostrovania a požadovanej spoľahlivosti zapaľovania.
Trvanie pulzu
Trvanie impulzu ovplyvňuje špičkový výkon a optickú intenzitu, ktorú je možné vytvoriť v ohnisku.
Mnoho laserových-štúdií porúch vyvolaných laserom používa krátke laserové impulzy, pretože na efektívne vytvorenie plazmy je potrebná vysoká maximálna intenzita. Optimálne trvanie impulzu však závisí od mechanizmu zapaľovania a kompletného optického systému.
Vlnová dĺžka
Vlnová dĺžka ovplyvňuje výber optických{0}}komponentov, dodávanie lúča a interakciu s prostredím spaľovania.
Rôzne laserové architektúry preto môžu byť vhodné v závislosti od toho, či systém využíva priame dodávanie voľného{0}}priestoru, optické okná, vlákna alebo inú optickú konfiguráciu.
Kvalita lúča a zaostrenie
Dostatočná energia impulzu nezaručuje úspešné zapálenie, ak túto energiu nemožno efektívne koncentrovať.
Kvalita lúča, zaostrovacia optika a charakteristiky ohniskového-boduurčiť, koľko optickej intenzity môže vzniknúť v bode vznietenia. Stav okna, zarovnanie a optické straty sa preto musia zvážiť spolu so špecifikáciou lasera.
Frekvencia opakovania a načasovanie
Laser musí dodávať impulzy s frekvenciou vyžadovanou motorom, spaľovacou komorou alebo pohonným systémom.
Rovnako dôležité je, že každý impulz musí byť synchronizovaný so spaľovacím cyklom alebo štartovacou sekvenciou. V praktických systémoch môže byť preto integrácia s architektúrou elektronického riadenia rovnako dôležitá ako samotný laser.
Stabilita pulzu-k{1}}pulznej stabilite
Laboratórny experiment môže preukázať jedno úspešné zapálenie, ale operačný systém musí túto udalosť opakovane reprodukovať.
Pulzná-energetická stabilita sa stáva obzvlášť dôležitou počas-dlhotrvajúceho testovania motora, opakovaných štartov a vysoko{2}}cyklovej prevádzky. Inžinieri by preto mali vyhodnotiť nielen nominálnu energiu impulzu, ale aj to, ako dôsledne laser udržiava túto energiu v priebehu času.
Dodávka lúča a prevádzkové prostredie
Laserový zdroj nakoniec funguje ako súčasť kompletného zapaľovacieho systému.
V závislosti od aplikácie môže byť potrebné, aby integrácia riešila:
- Optická kontaminácia-okien
- Mechanické vyrovnanie a vibrácie
- Tepelné prostredie
- Tlak spaľovania
- Vláknová alebo bezplatná-dodávka vesmírnym lúčom
- Dostupný inštalačný priestor
- Dlhodobý-optický prenos
Q-spínané polovodičové-lasery vrátaneNd systémy, boli široko používané vo výskume-zapaľovania laserom; Experimenty NASA napríklad použili pulzné zdroje Nd na štúdie zapaľovania vyvolaného laserom-. ()
V prípade projektu výskumu OEM alebo spaľovania- preto kľúčovou otázkou nie je:
"Aký silný je laser?"
je to:
"Môže laser opakovane dodať požadovaný impulz na požadovanom mieste za skutočných podmienok spaľovania?"
Čo ešte zadržiava laserové zapaľovanie?
Laserové zapaľovanie ponúka značnú inžiniersku flexibilitu, ale nie je univerzálnou náhradou za konvenčné iskrové zapaľovanie.
Praktické výzvy stále zahŕňajúnáklady na systém, optické zarovnanie, odolnosť proti vibráciám, tepelný manažment, optická{0}}kontaminácia okien a-dlhodobá životnosť komponentov.
Prechod z laboratórnej demonštrácie na systém-pripravený na motor je obzvlášť náročný. Optické usporiadanie, ktoré funguje na skúšobnom zariadení, musí zostať zarovnané a stabilné, kým je vystavené vibráciám, teplotným zmenám, tlakovým cyklom a usadeninám pri spaľovaní.
To pomáha vysvetliť, prečo je laserové zapaľovanie v súčasnosti najpresvedčivejšie tam, kde jeho dodatočné schopnosti riešia špecifický problém, ktorý konvenčné zapaľovanie nedokáže tak ľahko vyriešiť.
Od komponentu zapaľovania po riadenie spaľovania
Dlhodobým-významom zapálenia lasera nemusí byť zmiznutie zapaľovacej sviečky.
Jeho väčšou hodnotou je možnosť dať inžinieromväčšiu kontrolu nad samotnou udalosťou vznietenia.
Polohu zapaľovania je možné nastaviť. Je možné preskúmať viaceré jadrá plameňa. Optická energia môže byť dodávaná na diaľku. Chudé, vysokotlakové-a špecializované režimy spaľovania možno skúmať bez toho, aby ste sa úplne spoliehali na pevný elektródový výboj.
To je dôvod, prečo laserové zapaľovanie naďalej priťahuje záujemmotory na zemný{0}plyn, plynové turbíny, pokročilý výskum spaľovania a letecký pohon.
Keďže spaľovacie systémy sú čoraz náročnejšie, zapaľovanie sa čoraz viac stáva konštrukčnou premennou, a nie jednoducho komponentom.
Často kladené otázky
Aký je rozdiel medzi laserovým zapaľovaním a zapaľovaním zapaľovacej sviečky?
Zapaľovacia sviečka iniciuje spaľovanie prostredníctvom elektrického výboja medzi pevnými elektródami. Laserové zapaľovanie využíva zaostrený laserový impulz na uloženie energie na opticky zvolenú pozíciu v horľavej zmesi. To poskytuje zapaľovanie bez elektród{2}} a väčšiu flexibilitu pri výbere miesta zapaľovania, pričom vhodná architektúra systému môže podporovať aj viacero bodov zapálenia.
Aké sú hlavné obmedzenia laserového zapaľovania?
Medzi kľúčové výzvy patrí laserová{0}}cena systému, optická{1}}kontaminácia okien, stabilita zarovnania, vibrácie, tepelné riadenie, odolnosť komponentov a zložitosť integrácie. Ich význam sa výrazne líši medzi laboratórnym výskumom spaľovania, stacionárnymi motormi, plynovými turbínami a leteckými pohonnými systémami.
Aké typy laserov sa používajú na zapálenie lasera?
Použilo sa mnoho experimentálnych-systémov laserového zapaľovaniaQ-prepínané polovodičové-lasery, ako sú Nd lasery. Univerzálna špecifikácia lasera však neexistuje. Vhodný zdroj závisí od požadovanej energie impulzu, trvania impulzu, vlnovej dĺžky, opakovacej frekvencie, kvality lúča, podmienok zaostrenia, spaľovacieho tlaku a architektúry systému.
Skúmate laserový zdroj pre svoj projekt zapaľovania?
Vyvíjate systém laserového zapaľovania? Pošlite nám svojedruh paliva, tlak spaľovania, potrebná energia impulzu, trvanie impulzu, frekvencia opakovania, vlnová dĺžka a podmienky integrácie.
Náš inžiniersky tím môže posúdiť vaše požiadavky a prediskutovať vhodnépulzný laserový zdroj pre váš projekt spaľovania alebo zapaľovania.